Categoria: Curiosità scientifiche

Pubblicato il

Ancora su anidride carbonica e mascherine

Vi ricordate la lettera aperta che all’inizio di ottobre ho scritto ad Enrico Montesano? No!? Eccola nel link qui sotto:

Lettera aperta ad Enrico Montesano

In questa lettera facevo notare al mai dimenticato Rugantino che quanto asseriva in merito alla pericolosità delle mascherine erano tutte sciocchezze. Lo facevo con la solita metodica scientifica, ovvero considerando gli aspetti quantitativi relativi alla dimensione delle molecole di anidride carbonica e quella dei pori delle mascherine attraverso cui il gas passa.

Per darvi una idea grafica delle conclusioni in merito al rapporto dimensionale tra la molecola di anidride carbonica e un poro di una mascherina chirurgica, potete far riferimento alla Figura 1.

Figura 1. Il puntino a sinistra è la rappresentazione di una molecola di anidride carbonica. Il cerchio a sinistra è la rappresentazione di un poro di una mascherina chirurgica.

In questa figura, considerando unitaria la dimensione della molecola di CO2 (il puntino a sinistra), un poro di una mascherina chirurgica risulta circa 800 volte più grande della molecola di anidride carbonica (cerchio a sinistra in Figura 1).

Nei giorni successivi alla pubblicazione della lettera aperta c’è stato un delirio di interventi (tra messaggi nel blog e lettere ai miei indirizzi e-mail) tutti a carattere monotematico. Ad eccezione di tre/quattro persone che si sono complimentate per aver finalmente evidenziato, numeri alla mano, l’incongruenza di quanto detto da Montensano e i figuri a cui egli si ispira, c’è stata gente che, per lo più in un italiano stentato e dimostrando di aver saltato tutte le lezioni sulle equivalenze fatte alle scuole elementari, pretendeva di mettere in dubbio i numeri riportati nella mia lettera aperta. Le argomentazioni andavano dall’aver usato concetti di chimica troppo complicati (SIC!), alla matematica troppo difficile (SIC!), al fatto che io non uso la mascherina in modo continuativo e non so cosa vuol dire stare tutto il giorno con questo dispositivo di protezione individuale, al fatto che non soffro di patologie che mi impediscono di indossare la mascherina. E potrei continuare.

Nel marasma di commenti tutti sulla falsariga di quanto appena riportato, ci sono stati alcuni interventi che meritano la mia attenzione. In sintesi, si tratta di commenti che evidenziano come le mie argomentazioni siano corrette considerando una singola molecola di CO2 ed un singolo poro di una mascherina chirurgica. Tuttavia, avrei dovuto considerare che noi espiriamo milioni di miliardi di molecole di anidride carbonica. I pori della mascherina rappresentano, quindi, un “collo di bottiglia” attraverso cui tutte quelle molecole non riescono a fuoriuscire tra un respiro e l’altro, con la conseguenza che reimmettiamo nel nostro organismo la CO2 che abbiamo appena espirato.

Purtroppo, la logica che ci ha consentito di sopravvivere alle belve feroci per arrivare fino ad oggi, non si può applicare in ambito scientifico dove i modelli che vengono sviluppati sono tutti, ma proprio tutti, controintuitivi. Inoltre, fare  affermazioni senza il supporto di dati numerici non è esattamente corretto sotto il profilo scientifico. Infatti, tutti i commenti in merito all’azione “collo di bottiglia” esercitata dalle mascherine erano di tipo aneddotico. Nessuno, ma proprio nessuno, si è mai peritato di fornire un modello matematico per spiegare i propri ragionamenti.

Vediamo perché l’idea del “collo di bottiglia” che non permette il passaggio della CO2 che espiriamo è completamente sbagliata.

Basta una banale ricerca in rete per trovare che la permeabilità (intesa come il flusso di gas che passa attraverso le mascherine per unità di superficie) è di circa 10 litri al minuto (L min-1) per le mascherine chirurgiche e di circa 5 L min-1 per le mascherine tipo FFP2 (qui). Volete sapere cosa significano questi numeri? Semplicemente che per ogni centimetro quadrato di mascherina, passano 10 L min-1 e 5 L min-1 (a seconda della tipologia di mascherina) di aria. Questi numeri sono stati misurati usando una pressione di esercizio di circa 20 mbar, ovvero la pressione esercitata dall’apparato respiratorio a riposo (qui). In ogni caso, più alta è la pressione esercitata contro le mascherine, maggiore è la loro permeabilità (qui). Considerando che il flusso di aria che espiriamo mediamente è di circa 6 L min-1 (qui), ne viene che di anidride carbonica tra la mascherina ed il viso non rimane nulla. In altre parole, non c’è alcun rischio di respirare la propria anidride carbonica.

Da dove viene, allora, la convinzione che le mascherine consentirebbero di respirare la propria “aria usata”?

Si tratta solo di fattori psicologici che nulla hanno a che fare con la reale capacità di una qualsiasi mascherina di impedire il passaggio dell’aria che fuoriesce dai nostri polmoni (qui e qui). In pratica, chi afferma che non riesce a respirare è solo vittima delle proprie impressioni personali che non hanno niente a che vedere con la realtà chimico-fisica delle mascherine il cui uso è fortemente consigliato (assieme alle distanze di sicurezza e ad elementari norme igieniche) per ridurre la dffusione del contagio da SARS-COV-2.

Note

Alcuni lettori del blog mi hanno chiesto come mai le mascherine chirurgiche vanno indossate in un ben preciso verso, ovvero con la parte colorata rivolta verso l’esterno. La risposta è stata data qualche tempo fa in questo link. In sintesi, la parte colorata di una mascherina chirurgica è fatta da materiale idrorepellente. Questo riduce la possibilità che le eventuali goccioline di saliva espirate da persone con cui, per esempio, stiamo parlando, possano penetrare attraverso lo strato colorato e raggiungere gli strati interni con possibilità di contaminarci.

Altri lettori mi hanno chiesto come mai gli occhiali si appannano quando indossiamo la mascherina. L’appannamento è dovuto al fatto che l’aria che espiriamo è calda. Quando le molecole di acqua calda che espiriamo entrano a contatto con la superficie fredda dei nostri occhiali, condensano dando luogo al fenomeno dell’appannamento (qui).

Letture e riferimenti

Characterization of face masks

An overview of filtration efficiency through the masks: Mechanisms of the aerosols penetration

Air permeability and pore characterization of surgical mask and gowns

On respiratory droplets and face masks

Characteristics of Respirators and Medical Masks

FONTE DELL’IMMAGINE DI COPERTINA
Pubblicato il

Dormire nella stazione spaziale ISS

Oggi ero in auto. In genere mentre guido ascolto la radio. In uno dei tanti zapping veloci, mi capita di ascoltare un programma in cui l’ospite è un astrofisico. Questi parla della stazione spaziale ISS e della vita che si conduce a bordo.

Stazione spaziale ISS (Fonte)

Ciò che mi ha colpito moltissimo è stata la descrizione del come dormono gli astronauti.

Sapete che quando dormono in condizioni di assenza di peso, gli astronauti devono trovarsi in un ambiente con ottima aerazione?

La domanda vi sembrerà banale, ma ogni volta che ascolto notizie scientifiche mi trovo ad essere come un bambino di fronte ad un giocattolo. Anche se già lo conosce perché lo ha usato altre volte, lo guarda con meraviglia e pensa a cosa si possa ancora nascondere in quei meccanismi che ha visto centinaia di volte.

In effetti, siamo così abituati a vivere sulla Terra che neanche ci rendiamo conto che la vita in condizioni chimico-fisiche differenti richiede delle attenzioni particolari senza le quali essa non potrebbe esistere.

Quando ci sentiamo stanchi ed andiamo a letto, ci addormentiamo ma non per questo smettiamo di vivere. Continuiamo a respirare. Durante questa azione inspiriamo ossigeno ed espiriamo anidride carbonica. L’aria che circonda il nostro corpo, inclusa quella ricca di anidride carbonica che esce mentre respiriamo, è calda. Per questo motivo, si generano delle correnti convettive grazie alle quali l’aria calda (e per questo meno densa, ovvero più leggera) ricca di anidride carbonica che espiriamo si allontana verso l’alto venendo sostituita da aria fredda e più ricca di ossigeno.

Nelle condizioni di microgravità presenti nella stazione spaziale ISS, questi moti convettivi non si realizzano perché la microgravità porta ad assenza di peso e, quindi, non esistono zone di aria più leggere rispetto ad altre. La conseguenza è che durante il sonno, la testa degli astronauti viene circondata da una nuvola di anidride carbonica. Senza una corrente d’aria artificiale come, per esempio, quella generata da un ventilatore, la nuvola anzidetta non si disperderebbe turbando il sonno degli astronauti o, addirittura, portando alla morte, nel caso più drammatico.

Articoli simili

Svelato il mistero dei venti da eclisse

FONTE DELL’IMMAGINE DI COPERTINA
Pubblicato il

Giulio Cesare ed i cambiamenti climatici

“Cosa c’entra Giulio Cesare con i cambiamenti climatici?”, vi starete chiedendo. Oppure state pensando: “ed ecco un altro prof. che è andato fuori di testa e fa associazioni pseudoscientifiche come capita a tutti”.

Ebbene no, miei cari lettori. Proprio ieri ho comprato il numero di Agosto 2020 della rivista Le Scienze. Ogni tanto ho bisogno di leggere riviste divulgative serie per fare pace con il mondo e convincermi che non tutto è perduto. Sapeste cosa mi scrivono certi figuri nei commenti del blog! Faccio passare solo i commenti che mi divertono di più, ma ce ne sono altri che, al confronto, la teoria della memoria dell’acqua è roba seria.

Ma torniamo a Giulio Cesare ed ai cambiamenti climatici.

Dicevo che ho preso Le Scienze di Agosto. A pagina 24, ci sono 13 righe in cui si parla delle cause che hanno portato Roma a diventare Impero dopo l’assassinio di Giulio Cesare occorso alle idi di Marzo del 44 a.C.. La notizia la potete leggere anche qui.

Devo dire che la lettura mi ha incuriosito ed ho cominciato a cercare in rete. Quello che ho trovato mi ha molto affascinato.

Pensate: è documentato che nel periodo immediatamente successivo a quello in cui Cesare fu assassinato, ci sono stati un paio di anni di freddo intenso. La temperatura, pare, si sia abbassata di circa 7 °C, mentre le precipitazioni si fecero molto più intense aumentando dal 50 al 120 % rispetto agli anni precedenti. Potete facilmente immaginare cosa vuol dire a livello agricolo un abbassamento della temperatura ed un aumento della pioggia di tale intensità. Ci sono stati sicuramente momenti di carestia che, assieme ai problemi politici che si sono presentati nello stesso periodo, possono essere considerati la concausa del passaggio dalla Repubblica all’Impero. In effetti, le peggiorate condizioni di vita dei contadini nel I secolo avanti Cristo, portarono a scontri sociali che si conclusero con la pace Augustea che riportò ordine nella società romana (Riferimento).

Una delle ipotesi che è stata formulata per spiegare le peggiorate condizioni di vita dei contadini romani nel I secolo a.C. è l’eruzione dell’Etna avvenuta nel 44 a.C. (Riferimento). Si è ipotizzato che tale eruzione avesse portato in atmosfera una quantità tale di polveri sottili da schermare i raggi del sole e provocare gli sconvolgimenti climatici associati ai periodi di carestia summenzionati. Tuttavia, pur rimanendo valida l’idea che una eruzione vulcanica fosse stata responsabile del cambiamento climatico iniziato a cavallo del 43-44 a.C., l’ipotesi dell’effetto dell’eruzione dell’Etna sul clima della penisola è stata sempre abbastanza controversa (Riferimento).

All’inizio di Luglio è apparso su Proceedings of the National Academy of the United States of America (PNAS), una rivista molto quotata nel mondo scientifico, un articolo a firma di un gruppo di ricercatori di diversa nazionalità dal titolo: “Extreme climate after massive eruption of Alaska’s Okmok volcano in 43 BCE and effects on the late Roman Republic and Ptolemaic Kingdom”. Lo potete scaricare, previo pagamento di 10 USD, cliccando sull’immagine qui sotto.

In questo lavoro i ricercatori hanno discusso delle analisi effettuate su carote di ghiaccio prelevate nell’Artico. Essi hanno evidenziando come la più probabile causa degli sconvolgimenti climatici occorsi nel I secolo a.C. fosse  non l’eruzione dell’Etna, ma quella del vulcano Okmok situato in Alaska.

Fonte dell’immagine

Nell’immagine qui sotto potete avere contezza delle distanze a livello planetario tra la posizione del vulcano ed il continente Europeo.

Sembra strano che l’eruzione di un vulcano così distante dall’Europa possa averne influenzato il clima, vero?

Vediamo allora cosa hanno fatto gli studiosi.

A quanto pare ogni vulcano ha una impronta chimica univoca in termini di molecole immesse in atmosfera per effetto delle eruzioni. I ricercatori hanno non solo attribuito le sostanze trovate nelle carote di ghiaccio proprio al vulcano Okmok, ma hanno anche datato l’eruzione relativa alla seconda metà del I secolo a.C.. Inoltre, usando i dati chimici identificati nelle carote di ghiaccio, i ricercatori hanno fatto delle simulazioni computazionali. In base ad esse, hanno potuto stabilire che intorno al 43 a.C. l’eruzione dell’Okmok ha portato in atmosfera tante di quelle particelle che si è avuta una riduzione della temperatura non solo in Europa, ma anche nel continente Africano. Come controprova delle loro simulazioni, i ricercatori hanno anche effettuato analisi dendrologiche  che hanno confermato le ipotesi sul ruolo dell’Omkok nelle variazioni climatiche del I secolo a.C..

Interessante, vero, come un’eruzione vulcanica a migliaia di chilometri di distanza dall’Europa possa aver indirizzato la politica romana.

Fonte dell’immagine di copertina
Pubblicato il

Le armi chimiche: i veleni naturali

Sapete che cosa è la chimica delle sostanze naturali? Si tratta di una branca della chimica che studia le proprietà chimiche (per esempio, struttura e conformazione) e la reattività di metaboliti primari e secondari delle piante e degli animali. La Treccani ne dà una bella definizione:

“È quel settore delle scienze chimiche che ha per oggetto lo studio della struttura, delle proprietà chimiche, delle trasformazioni delle sostanze organiche presenti negli organismi viventi (animali, piante o microorganismi), nonché del loro ruolo biologico”.

Perché vi sto dando questa definizione? Semplicemente perché sto leggendo un bel libro dal titolo “Storia dei veleni. Da Socrate ai giorni nostri” (Figura 1) in cui si descrivono le potenzialità venefiche di tantissime sostanze di origine naturale.

Figura 1. Libro sui veleni che ho acquistato recentemente

Non credo sia una novità che l’uso dei veleni sia noto fin dall’antichità. Essi venivano utilizzati sia per la caccia che per la guerra. Per esempio, nella seconda metà del XIX secolo, Alfred Fontan descrisse degli interessantissimi ritrovamenti nella grotta inferiore di Massat, nell’Ariège (Figura 2), un sito risalente all’epoca magdaleniana.

Figura 2. Zona dell’Ariege dove si trovano le grotte di Massat (Di TUBS – Opera propria. Questa grafica vettoriale non W3C-specificata è stata creata con Adobe Illustrator. Questa immagine vettoriale include elementi che sono stati presi o adattati da questa:  France adm-2 location map.svg (di NordNordWest)., CC BY-SA 3.0 de, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=45555827)

In particolare, tra i tanti reperti, furono individuate delle punte di lancia e freccia con delle interessanti scalanature (Figura 3).

Figura 3. Punte di lancia e freccia del periodo Magdaleniano (Fonte)

Negli anni successivi gli studiosi hanno compreso che le scanalature sulle punte di freccia e lancia servivano per fare aderire i veleni in modo tale che le prede (o i nemici), una volta colpiti anche in modo non mortale, potessero morire per effetto del veleno introdotto attraverso le ferite. Ancora oggi le popolazioni primitive che vivono nelle zone meno esplorate del pianeta fanno uso,  per la caccia o per la guerra, di punte  simili a quelle ritrovate nelle grotte di Messat .

Siete curiosi di sapere come si fa a rendere “velenosa” una punta di freccia o di lancia?

I veleni, come leggerete nel paragrafo successivo, vengono per lo più estratti dalle piante.  Jean de Maleissye, nel libro che sto leggendo, ci spiega come facevano alcune popolazioni dello Zimbabwe a preparare le loro armi. Molto verosimilmente, la stessa tecnica era applicata dalle popolazioni primitive.

“Si faceva a pezzi la pianta, la si mescolava ad acqua e si faceva bollire il tutto per molto tempo. Poi si lasciava ridurre il liquido finché non si addensava, assumendo la consistenza della pece. Il veleno veniva fissato sull’estremità superiore dell’arma tramite una cordicella che gli indigeni arrotolavano attorno alla punta. Lo spazio libero fra ogni spira di corda tratteneva infatti il veleno, quando vi si immergeva la punta dell’arma. Si lasciava seccare il preparato velenoso, poi si toglieva il filo. Con tutta probabilità, la cordicella consentiva di trattenere il veleno su superfici minuscole. Tale artificio impediva infatti al veleno di staccarsi prematuramente in grandi placche”.

Come cacciavano le popolazioni della civiltà magdaleniana?

Non lo sappiamo, in realtà. Possiamo immaginare dalle ricostruzioni basate sugli utensili ritrovati in giro per l’Europa, che i magdaleniani “dopo aver colpito con una o più frecce avvelenate un grande cervo o una renna, [ne seguono] le tracce per ore o anche per giorni, fintanto che, stremato dal veleno, dalla perdita di sangue e dallo sforzo compiuto, il grande animale non crolla in un bosco ceduo” (Fonte). Una volta catturata la preda, i cacciatori rimuovono la parte avvelenata e fanno a pezzi tutto il resto della carcassa che viene usata per alimentarsi.

Origine dei veleni

In genere si tratta di sostanze che vengono estratte dalle piante. Una di queste è la Aconitum napellus o aconito,  una pianta che cresce in zone montuose e nota, per le sue proprietà tossiche, già a i tempi dei Galli e dei Germani (Figura 4).

Figura 4. Aconito, pianta molto comune ed estremamente tossica

Le sue parti, incluse le radici, contengono miscele complesse di alcaloidi quali: aconitina, napellina, pseudoaconitina, aconina, sparteina, efedrina (Figura 5).

Figura 5. Struttura chimica dei principali alcaloidi presenti nei tessuti di Aconitum napellus.

Tutte queste molecole hanno attività neuro- e cardio-tossica. La loro dose letale è dell’ordine di pochi milligrammi (1-4 mg) per chilogrammo di peso corporeo.  Immaginate, quindi, cosa può succedere se una freccia avvelenata con questa miscela di alcaloidi vi colpisse anche in un punto non vitale. Il veleno entrerebbe nel sangue e sareste soggetti a “rallentamento dei battiti cardiaci, diminuzione della pressione arteriosa e rallentamento del ritmo respiratorio” fino a  paralisi cardiaca e respiratoria (Fonte). Anche l’ingestione di questa miscela di alcaloidi porta alla stessa fine.

Ma volete sapere un’altra cosa? Avete presente la “potentissima” medicina tradizionale cinese?

Ebbene, nel 2018, è stato pubblicato un lavoro di revisione della letteratura scientifica in merito alla tossicità degli alcaloidi dell’aconito. Il lavoro è liberamente scaricabile qui. Nell’introduzione si evidenzia come gli estratti della radice di questa pianta siano usati nella medicina tradizionale cinese come rimedi per problemi cardiovascolari, artriti reumatoidi, bronchite, dolori generici e ipotiroidismo. Non sono un medico, però a me sembra quasi la panacea di ogni male (mi correggano i medici che leggono questo articolo se sbaglio, per favore). Nella stessa introduzione viene anche rilevato che le autorità sanitarie di molti paesi asiatici sono costrette a regolamentare l’uso di questo preparato a causa della sua elevata tossicità. Infatti, tra il 2001 e il 2010 sono stati osservati, per esempio, ben 5000 casi di tossicità da alcaloidi di aconito. Come mai tutte queste intossicazioni? Semplicemente perché, come evidenziato anche in un lavoro del 2019 pubblicato su Forensic Science, Medicine and Pathology, una rivista della Springer con impact factor nel 2019 di 1.611 (si può liberamente scaricare qui), gli estratti di aconito vengono usati senza prescrizione medica ed è facile usare la logica spicciola secondo cui se la quantità x mi permette di guarire, allora la quantità xn mi farà guarire più velocemente. 

Conclusioni

La natura ci è nemica? Neanche per sogno. Allora ci è amica? neanche per sogno parte seconda. Alla natura non importa nulla di noi. I veleni possono essere considerati  la risposta evolutiva delle prede ai predatori. Quando, in modo casuale ed imprevedibile, una modifica genetica consente la nascita di una pianta con un corredo metabolico appena un po’ diverso da quello delle sue “compagne”, è possibile che essa diventi indigesta, ovvero tossica, per i predatori. Questa nuova caratteristica favorisce la sopravvivenza della pianta modificata rispetto alle sue “sorelle” non modificate. Nel momento in cui tutte le piante non modificate si sono esaurite a causa della pressione alimentare dei predatori, rimangono in vita solo quelle modificate da cui i predatori si tengono lontani… a meno di non capire che esse possono essere sfruttate non a fini alimentari ma per la caccia e per la guerra.

Fonte dell’immagine di copertina
Pubblicato il

La chimica delle mascherine chirurgiche

Chi mi segue sicuramente sa che qualche tempo fa ho dedicato un articolo alle mascherine necessarie per proteggerci dalla diffusione  del Covid19.

Come funzionano le maschere filtranti

 

In esso ho solo accennato alla funzione delle mascherine chirurgiche. Ora voglio entrare nel dettaglio della loro chimica.

Alzi la mano chi di voi non ha mai sentito parlare del tessuto non tessuto detto anche TNT.

No…non è il trinitrotoluene, noto per la sua potenzialità esplosiva. Quindi, se tra i miei lettori c’è qualche appassionato di “fuochi artificiali” non cerchi di dar fuoco al TNT di cui parlo in questo articoletto perché non otterrà alcun botto particolare, ma solo una bella fiamma.

Torniamo a noi.

Se facciamo una banale ricerca in Wikipedia, si trova che il tessuto non tessuto è un materiale in cui non è possibile distinguere una trama ben precisa come nel caso dei normali tessuti che indossiamo. Insomma si tratta di un materiale che viene ottenuto mediante dei procedimenti industriali particolari che, per ora, non rappresentano oggetto di discussione.

Le sue peculiarità lo rendono molto versatile tanto è vero che viene utilizzato in diversi campi: da quello edilizio a quello tessile, fino ad arrivare al campo medico. Ebbene sì, anche in campo medico questo materiale viene utilizzato. Infatti, santo Google alla richiesta di informazioni sul tessuto non tessuto restituisce, tra i tanti siti web, un link a un’azienda che vende chilometri di tessuto non tessuto per la fabbricazione delle mascherine chirurgiche di cui oggi abbiamo estrema necessità a causa del virus SARS-CoV2.

Ma cosa è questo TNT? Appurato che la sigla non si riferisce al trinitrotoluene, noto esplosivo, di cosa si tratta?

Ebbene, non è altro che banalissima plastica. Il termine che ho appena usato non è molto corretto, se vogliamo essere puntigliosi. Infatti, “plastica” è un termine generico che si riferisce a una classe di composti molto differenti tra di loro sia per caratteristiche chimiche che caratteristiche fisiche.

La plastica con cui è fatto il TNT può essere o polipropilene o poliestere. In realtà, se vogliamo essere ancora puntigliosi, bisognerebbe parlare di poliesteri e non di poliestere. Infatti, anche questa è una classe di composti che differiscono tra loro per proprietà chimiche e fisiche. In ogni caso, sono più che sicuro che ne avete già sentito parlare, non foss’altro per il fatto che questi nomi li trovate scritti sulle etichette dei vostri capi di abbigliamento quando leggete che assieme al cotone essi contengono anche poliestere e polipropilene (Figura 1).

Figura 1. Tipica etichetta di un capo di vestiario (Fonte)

Per poter avere una idea di quali siano gli oggetti di uso comune  che contengono le plastiche anzidette, potete far riferimento alla Figura 2.

Figura 2. Tipici oggetti fatti di plastica
Ma veniamo alle mascherine chirurgiche.

Esse sono fatte da strati sovrapposti di tessuti ottenuti sia con polipropilene che con poliestere. In particolare, lo stato esterno è costituito da un foglio di polipropilene che viene trattato per farlo diventare idrofobo e conferirgli resistenza meccanica. Lo strato intermedio può essere fatto sia da polistirene che da polipropilene che vengono lavorati in modo da produrre un foglio sottile con pori di diametro nell’intervallo 1-3 μm. Infine, il terzo strato (quando è presente) è fatto da polipropilene che ha il compito di proteggere il volto dallo strato intermedio filtrante (Figura 3). La capacità filtrante verso l’esterno (ovvero la capacità di trattenere le goccioline di sudore/saliva) di queste mascherine è molto elevata. Tuttavia, esse hanno una bassa capacità filtrante dall’esterno (Riferimento).

Figura 3. Strati di polipropilene con cui sono fatte le mascherine chirurgiche (Fonte)

Insomma, da questa breve digressione avete capito che le mascherine chirurgiche che indossiamo in questi giorni sono fatte di plastica.

C’è un impatto ambientale di questa plastica? Beh…se l’argomento vi intriga posso rimandare ad un secondo articolo l’impatto che le mascherine che usiamo hanno sull’ambiente.

Fonte dell’immagine di copertina

Pubblicato il

Fa freddo lassù?

Checché ne dicano chimici e fisici, le due discipline di cui essi sono rappresentanti sono strettamente correlate tra di loro. A certi livelli sono talmente incuneate l’una nell’altra che è difficile dire quando finisce la chimica e quando comincia la fisica. Prendete per esempio la quantomeccanica. Tutti quelli che ne parlano sono fisici, ma questa branca della fisica può essere considerata anche chimica grazie agli sforzi compiuti da Linus Pauling che, nella prima metà del XX secolo, si “inventò” la chimica quantistica, o quantochimica, per spiegare la natura del legame chimico (Figura 1).

Figura 1. Raccolta dei lavori di Linus Pauling in cui viene identificata la natura del legame chimico.

Fino a che Pauling non si impadronì della quantomeccanica per adattarla alla chimica, la rottura e la formazione dei legami chimici rimase in una sorta di limbo che faceva dei chimici dei veri e propri praticoni, abilissimi nel “maneggiare” le molecole, ma ancora lontani dal poter prima progettare e poi realizzare in laboratorio quanto avevano in mente.

Perché vi scrivo tutto questo?

Dovete sapere che in questo periodo di quarantena sono costretto a fare lezione per via telematica. Mi manca fortissimamente il contatto con gli studenti ed il poter trasferire le mie conoscenze non solo con le parole ma anche con la prossemica e con l’attività di laboratorio. In questo contesto sto studiando le lezioni che devo fare nelle prossime settimane per il mio corso di “Recupero delle aree degradate”. Una delle ultime lezioni riguarda la contaminazione atmosferica. È proprio ripassando le diapositive che presenterò tra un paio di settimane che ho realizzato anche a me stesso ciò che dico normalmente agli studenti dei miei corsi: chimica e fisica sono parenti stretti; non si può capire la chimica se non si conosce la fisica e non si può comprendere a fondo la fisica se non si hanno anche conoscenze chimiche. Sono sicuro che i miei amici fisici dissentiranno da quanto ho appena scritto, ma lasciatemi dire che chi afferma che per conoscere la fisica non c’è bisogno della chimica ha profonde falle cognitive. È come dire che la conoscenza umanistica non serve a chi si occupa di scienza. In realtà, la conoscenza umanistica aiuta a pensare, a mettere ordine nelle proprie idee, nel proprio modo di esprimersi e nel modo di presentare ciò che sappiamo.

Ma andiamo con ordine.

La fisica dell’atmosfera è direttamente legata alla sua chimica.
Nella Figura 2 si evidenzia la geografia dell’atmosfera con l’indicazione dei cambiamenti di temperatura (quindi una proprietà fisica) che si osservano man mano che ci allontaniamo dalla superficie terrestre.

Figura 2. Geografia dell’atmosfera con indicazioni dei cambiamenti di temperatura che si osservano al variare dell’altezza.

Usando il linguaggio tipico della Scienza del Suolo, la Figura 2 mostra il profilo dell’atmosfera nel quale è possibile individuare diversi orizzonti. L’orizzonte più vicino al suolo ha un’altezza di circa 16 km. Esso viene indicato col termine di troposfera in cui il suffisso “tropo” è di derivazione greca e vuol dire “mutazione”, “cambiamento”. La composizione chimica della troposfera è abbastanza complessa. Essa è costituita non solo da ossigeno ed azoto molecolari, ma anche da vapor d’acqua, anidride carbonica e tutte le altre varie anidridi come quelle di azoto e zolfo che hanno sia origine antropica che origine naturale. Per effetto dell’energia termica rilasciata dal suolo, le molecole di gas più vicine ad esso si riscaldano, diminuiscono di densità e si muovono verso l’alto venendo sostituite dalle molecole di gas più fredde e più dense che si trovano ad altezze maggiori. Si realizzano, quindi, delle correnti ascensionali (Figura 3) che sono sfruttate, per esempio, dai deltaplanisti o da chi è appassionato di volo senza motore.

Figura 3. Schema delle correnti ascensionali che si realizzano per effetto del riscaldamento al suolo delle molecole di gas atmosferico.

È proprio grazie all’energia termica rilasciata dal suolo che possiamo spiegare perché nella troposfera la temperatura diminuisce con l’altezza. Infatti, più vicini siamo al suolo, più risentiamo del calore emesso dalla superficie terrestre. Più ci allontaniamo dal suolo, più si riduce la temperatura per effetto della dissipazione del calore che proviene dalla superficie terrestre.
Tra 16 e 50 km di altezza c’è l’orizzonte atmosferico che viene definito stratosfera. In questo orizzonte c’è una concentrazione media di ozono che è dell’ordine delle decine di parti per milioni (v/v) contro i 0.04 ppm medi presenti nella troposfera. Questa elevata concentrazione di ozono rende conto dell’aumento di temperatura che si osserva man mano che ci si allontana dalla superficie terrestre e si passa dai 16 ai 50 km di altezza. Infatti, le radiazioni luminose provenienti dal suolo, da un lato, consentono la degradazione dell’ozono (O3) ad ossigeno molecolare (O2) ed ossigeno radicalico (O∙) in una reazione esotermica, dall’altro consentono un aumento dell’energia cinetica dei gas della stratosfera con conseguente aumento dell’energia termica.
Tra 50 ed 85 km c’è l’orizzonte che chiamiamo mesosfera. In questo orizzonte si osserva di nuovo una diminuzione di temperatura all’aumentare dell’altezza. Infatti, la temperatura della mesosfera può arrivare fino a -90°C. Questa diminuzione di temperatura è legata alla riduzione della densità dei gas ivi contenuti. L’energia termica proveniente dal Sole, pur incrementando l’energia cinetica delle molecole di gas, non è, tuttavia, in grado (a causa della bassa concentrazione di tali gas) di portare ad un aumento della temperatura.
L’orizzonte incluso tra 85 e 500 km di altezza prende il nome di termosfera. La composizione chimica della termosfera vede la presenza di molecole di ossigeno e molecole contenenti azoto. La radiazione elettromagnetica proveniente dal sole consente la ionizzazione delle molecole anzidette in reazioni di tipo esotermico. L’esotermicità delle reazioni appena citate, associate all’aumento dell’energia cinetica dei sistemi gassosi presenti nella termosfera, portano ad un aumento della temperatura che può arrivare fino a 1200 °C. Gli ioni presenti nella termosfera non solo sono in grado di far “rimbalzare” le onde radio consentendo, quindi, le comunicazioni sul globo terrestre, ma sono anche responsabili delle aurore boreali. Infatti, essi assorbono energia solare riemettendola sotto forma di radiazioni luminose che danno luogo alle meravigliose scenografie che si osservano nell’emisfero Nord del nostro pianeta (Figura 4).

Figura 4. Aurora boreale (Fonte).
Conclusioni

Fa freddo lassù? La risposta corretta è: dipende. Dipende dall’altezza a cui ci troviamo e dalla chimica degli orizzonti del profilo atmosferico. Come dicevo più su, questo post nasce dal desiderio di condividere con voi le meraviglie di due discipline interconnesse tra loro: la chimica e la fisica. Come potete intuire leggendo questo breve articolo, le conoscenze chimiche riescono a spiegare i fenomeni fisici che si osservano nell’atmosfera. Spero possiate perdonare le inesattezze che sicuramente ho scritto e che tutto ciò possa innescare una discussione interessante.

Altre letture

Fundamentals of physics and chemistry of atmosphere

Fonte dell’immagine di copertina

 

 

Pubblicato il

Chimica delle superfici e delle interfasi: l’effetto Marangoni e le lacrime del vino

Guardate la foto di Figura 1. Il bicchiere sembra vuoto. In realtà avevo appena finito di bere un buonissimo vino e in controluce si osservano quelle che gli esperti chiamano le “lacrime del vino“. Di cosa si tratta?

Figura 1. Immagine delle lacrime del vino in controluce

Il titolo di questa nota richiama il nome di un fisico italiano, il Dr. Marangoni, che nel 1865 per primo razionalizzò la formazione di queste lacrime. A onor del vero, il Dr. Marangoni studiò la dinamica del trasferimento di massa lungo una superficie.  All’interno del modello da lui sviluppato si inquadra la formazione delle suddette lacrime.

Ma andiamo con ordine.

Prendiamo in considerazione una miscela di due liquidi che, per semplicità, indichiamo con A e B. Dalla chimica sappiamo che ogni liquido è in equilibrio con il suo vapore attraverso la relazione:

Nell’immagine ho considerato le due componenti della miscela separatamente. I pedici (l) e (g) indicano la fase liquida e gassosa, rispettivamente.

Gli equilibri descritti sono tanto più spostati verso la fase gassosa quanto più piccolo è lo spessore della fase liquida. Una spiegazione semplicistica di ciò è che più piccolo è lo spessore, minore è la forza con cui le molecole  sono tenute legate alla superficie del liquido. Come conseguenza, le molecole sulla superficie di uno strato di liquido sottile riescono a “passare” più facilmente alla fase gassosa rispetto a quelle che sono sulla superficie di uno strato di liquido più spesso.

Cosa succede quando mescoliamo i due liquidi?

Quando i due liquidi vengono mescolati, l’equilibrio tra le fasi si può descrivere così:

In altre parole, ciò che è presente nella fase liquida lo è anche in quella gassosa. Ciò che cambia nella composizione della fase liquida rispetto a quella gassosa è il rapporto relativo tra le componenti.

Supponiamo, tanto per esempio, che la componente A abbia un punto di ebollizione più elevato rispetto a quello della componente B. Questo vuol dire che a parità di temperatura, le molecole di B si allontanano dalla superficie liquida più facilmente delle molecole di A. La conseguenza è che mentre la fase liquida contiene una maggiore quantità del composto A (che è più alto bollente), la fase gassosa contiene una maggiore quantità del composto B (che è più basso bollente).

Variazioni delle proprietà fisiche

La miscela fatta da A e B ha proprietà fisiche che sono intermedie tra quelle delle singole componenti. Ma cosa accade quando la stessa miscela si trova in due situazioni fisiche differenti, ovvero in un caso la fase liquida ha uno spessore più grande che nell’altro?

Quando diminuiamo lo spessore della fase liquida, la fase gassosa si arricchisce della componente più basso bollente e la densità del liquido (cioè il peso per unità di volume) tende verso quella della componente più alto bollente. Volendo semplificare con un linguaggio pseudo matematico, possiamo scrivere:

d(A+B) →dA

dove la lettera d indica la densità; il pedice (A+B) si riferisce alla miscela, mentre la freccia (→) si legge “tende”.

La tensione superficiale e la capillarità

Avete presente l’acqua? Sì…proprio quella che si scrive H2O. Ebbene, quando questa molecola è assieme alle sue sorelle gemelle, accade che si generino delle proprietà che ogni singola molecola presa da sola non ha. In effetti quando diciamo che l’acqua bolle a 100 °C o diventa solida a 0 °C non stiamo parlando di proprietà di una singola molecola. Temperatura di ebollizione, temperatura di fusione, densità etc. sono tutte proprietà che fanno riferimento ad insiemi di molecole che interagiscono tra loro. Le molecole di acqua, in particolare, interagiscono tra loro mediante una rete di legami a idrogeno. Per semplicità rimando ad una mia nota per comprendere il ruolo che i legami a idrogeno hanno nel determinare alcune caratteristiche dell’acqua.

Il ruolo dei legami a idrogeno nel comportamento dell’acqua

Qui sotto, invece, un altro articolo in cui si evidenzia come i legami a idrogeno influenzino la dinamica dei protoni e degli ossidrilioni.

Meccanismo di Grotthuss

I legami a idrogeno sono anche responsabili di quella che viene indicata come tensione superficiale dell’acqua.

Prendiamo una bacinella e riempiamola di acqua. Immaginiamo ora di diventare piccoli fino ad arrivare alle dimensioni delle molecole di acqua. Quello che potremmo immaginarci di vedere all’interno della bacinella è un insieme di molecole che interagiscono tra loro in modo differente a seconda della loro posizione nel contenitore (Figura 2).

Figura 2. Molecole di acqua in una bacinella. Le forze attrattive tra le molecole dipendono dalla posizione nel contenitore

In particolare, le molecole di acqua che sono nel bel mezzo della bacinella sono circondate da analoghe molecole che le attraggono con forze (dovute ai legami a idrogeno intermolecolari) identiche in tutte le direzioni.

Le molecole di acqua che sono accanto alle pareti del recipiente sono attratte con forze di un certo tipo dalle pareti e con forze differenti dalle molecole di acqua ad esse vicine. Cerchiamo di capire perché. Ho già scritto che le forze che consentono alle molecole di acqua di interagire tra loro sono dovute ai legami a idrogeno intermolecolari. Per completezza aggiungo che queste forze vengono indicate come “forze di coesione” perché consentono alle molecole di acqua di essere “coese” tra loro. Le forze con le quali le pareti del recipiente agiscono sulle molecole di acqua con cui entrano in contatto si indicano come “forze di adesione”. Esse possono essere dovute sia alla formazione di dipoli indotti che a legami a idrogeno veri e propri. Questi ultimi, tuttavia, hanno energia differente rispetto a quelli che si formano tra identiche molecole di acqua a causa della differente natura chimica delle pareti del contentinore.

Infine, le molecole di acqua che si trovano in superficie risentono, da un lato, della presenza dei legami a idrogeno con analoghe molecole più interne nel liquido, dall’altro della presenza dell’aria atmosferica con cui esse non possono interagire allo stesso modo. Per questo motivo, l’energia termica necessaria per far “staccare” le molecole dalla superficie è meno intensa di quella necessaria per far allontanare le molecole più interne che sono “ancorate” meglio ad un numero maggiore di molecole di acqua.

Adesso restringiamo la bacinella di prima alle dimensioni di un capillare e cerchiamo di capire cosa accade (Figura 3).

Figura 3. Esempio di risalita capillare

In pratica diminuisce lo spazio a disposizione delle molecole di acqua che cominciano ad interagire sempre più fortemente con le pareti del recipiente. Le molecole a contatto con le pareti iniziano, quindi, ad “arrampicarsi” e si “trascinano” dietro tutte quelle che non sono direttamente interagenti con le pareti stesse. A causa delle forze di coesione più intense nella zona di spazio centrale (quella più lontana dalle pareti, per intenderci) si genera un menisco. Da un punto di vista fisico si osserva un fenomeno che  senza le spiegazioni appena date aparirebbe magico, ovvero quella che è conosciuta comunemente come risalita capillare. Essa spiega la presenza di elevate concentrazioni di sali sulla superficie di suoli indicati come suoli salini, il movimento della linfa nelle piante e l’imbibizione di materiali porosi come la carta Scottex® che usiamo in cucina per asciugare le superfici su cui abbiamo fatto cadere l’acqua.

Le lacrime del vino

Siamo arrivati al momento cruciale: la spiegazione chimico-fisica delle lacrime del vino.

Il vino è una miscela complessa in cui le due componenti più importanti sono acqua e alcol etilico (indicato volgarmente con il solo termine di “alcol”). Non me ne vogliano gli enologi, ma il vino altro non è che una soluzione acquosa di alcol etilico. La poesia che i sommelier e gli enologi vedono nel vino è dovuta ad una piccolissima quantità di altre componenti che sono responsabili del sapore e del profumo di tale bevanda.

Tra le due componenti più abbondanti del vino, l’acqua è la più alto bollente (la temperatura di ebollizione a 1 atm è 100 °C), mentre l’etanolo ha una temperatura di ebollizione più bassa (a 1 atm, l’etanolo bolle a circa 78 °C). Aggiungiamo anche che la densità dell’etanolo a temperatura ambiente è circa 0.78 g/cm3 e quella dell’acqua è circa 1.0 g/cm3. La densità media dei vini è circa 0.99 g/cm3.

Mettiamo ora idealmente del vino in un calice e ruotiamo il calice (Figura 4).

Figura 4. Calici di vino che vengono fatti ruotare (Fonte)

Per effetto della rotazione, si genera un sottilissimo strato di liquido sulle pareti del calice. Alla luce di tutto quanto descritto nei paragrafi precedenti, ne viene che l’alcol etilico si allonatana facilmente da questo strato sottile. A causa di ciò, si intensificano le forze di adesione che spingono il liquido verso l’alto. Più il liquido si sposta verso l’alto, più si assottiglia lo strato e più facilmente l’alcol evapora. Come conseguenza aumenta progressivamente anche la densità del liquido nello strato sottile, ovvero aumenta il peso per unità di volume. Questo perché, alla luce delle spiegazioni date prima, la densità del liquido tende a quella dell’acqua. Quando, per effetto dell’aumento di densità, la forza di gravità diventa predominante sulle forze di adesione, l’anello di liquido che sale verso l’alto si rompe ed incominciano a formarsi gocce ed archetti, ovvero le lacrime del vino. Qualitativamente parlando, più elevato è il contenuto alcolico del vino e più elevato è il numero di gocce ed archetti.

Le lacrime del vino si formano sempre?

No. Non sempre le lacrime si formano. Come abbiamo visto, è necessario che per effetto della rotazione e conseguente evaporazione dell’alcol etilico, si intensifichino le forze di adesione che spingono lo strato sottile di liquido verso l’alto. Come ho già scritto, le forze di adesione sono dovute a interazioni dipolari e/o legami a idrogeno. Questo significa che se non ci sono “agganci” a cui le molecole di acqua si possono ancorare, non si possono formare le lacrime del vino. In altre parole, le lacrime dipendono da quanto bene abbiamo lavato i nostri calici. Se il lavaggio ha completamente “sgrassato“ le pareti del recipiente, gocce ed archetti non si formano.

Letture di approfondimento

Se avete voglia di leggere curiosità in merito a viti, vitigni, vinificazione e vini potete andare a leggere il blog di VinOsa

Fonte dell’immagine di copertina

Pubblicato il

Il chlorpyrifos: a cosa serve e come funziona

Avete sicuramente sentito nominare negli ultimi giorni il chlorpyrifos e del fatto che il suo utilizzo sia vietato in alcuni paesi della Comunità Europea, ma soprattutto che la EU sta tentando di vietarne l’uso in tutti i paesi membri (qui e qui). Nel caso in cui l’uso di questo agrofarmaco venisse vietato, si avrebbe un’arma in meno  per la lotta a quegli insetti che fanno parecchi danni alle aziende agricole. Pensate che la cimice asiatica (Figura 1) ha provocato in Italia danni per circa 350 milioni di euro solo per il 2019 (qui).

Figura 1. Immagine della cimice asiatica (fonte)

Il chlorpyrifos è un insetticida molto utile per il contrasto alla cimice asiatica, così come per la lotta al punteruolo rosso (Figura 2) che ha decimato la popolazione di palme in tutta Italia negli ultimi anni.

Figura 2. Immagine del punteruolo rosso (fonte)

Al di là delle decisioni che verranno prese entro la fine di Gennaio 2020, qui voglio spiegare alcune caratteristiche di questo agrofarmaco.

Cosa è il chlorpyrifos

Il nome IUPAC è O,O-diethyl-O-3,5,6-trichloro-2-pyridyl-phosphorothioate e la sua struttura è riportata in Figura 3.

Figura 3. Struttura ball-and-stick del chlorpyrifos. Le palline verdi sono atomi di cloro; quelle rosse atomi di ossigeno; le palline grigie sono gli atomi di carbonio; quelle bianche sono atomi di idrogeno; la pallina blu è l’atomo di azoto, la pallina gialla è l’atomo di zolfò, la pallina arancione è l’atomo di fosforo (fonte)

Si tratta di un composto organico la cui azione è quella di inibire l’attività della acetilcolinesterasi.

Bene, direte voi, adesso è tutto chiaro. Vero?

In effetti usare un nome complicato senza spiegarlo è come non spiegare nulla.

L’acetilcolinesterasi è un enzima, ovvero una proteina che ha delle specifiche funzioni all’interno del nostro organismo, che gioca un ruolo importantissimo nella trasmissione degli impulsi nervosi. Esso si trova nelle sinapsi tra le cellule nervose e quelle muscolari e interviene nelle contrazioni muscolari. In particolare, l’acetilcolinesterasi entra in azione dopo che un segnale nervoso è passato, demolendo l’acetilcolina nelle sue due componenti, l’acido acetico e la colina (Figura 4). Questa reazione ferma la trasmissione del segnale.
I due frammenti non vanno perduti, ma vengono riciclati per sintetizzare nuovi neurotrasmettitori per altre contrazioni muscolari. Il tempo necessario per la degradazione della molecola di acetilcolina è di circa 50 microsecondi.

Figura 4. Degradazione della acetilcolina. Nu è l’acronimo di “nucleofilo”, ovvero un sistema ricco di elettroni che reagisce con un elettrofilo, cioè un sistema povero di elettroni. Il nucleofilo è presente nel sito attivo della acetilcolinesterasi (fonte)

Come si vede dalla Figura 4, un gruppo funzionale ricco di elettroni (nucleofilo, Nu) presente nel sito attivo della acetilcolinesterasi (si tratta del gruppo -OH della catena laterale dell’amminoacido serina) attacca il gruppo carbonilico (-C=O) povero di elettroni presente nella acetilcolina determinando la frammentazione della molecola in una colina deprotonata e un sistema in cui il gruppo acetile (CH3CO-) rimane legato all’enzima. Quest’ultimo subisce una reazione di idrolisi con rigenerazione dell’enzima e formazione di acetato e colina.

Quando il chlorpyrifos si inserisce nel sito attivo della acetilcolinesterasi, il gruppo nucleofilo anzidetto va ad attaccare il fosforo presente nell’insetticida (Figura 5). Si formano, quindi, due frammenti (A e B in Figura 5) di cui uno, quello indicato con la lettera A, è l’enzima il cui sito attivo è “bloccato” dalla presenza del residuo contenente il fosforo. Il legame tra la serina e il residuo col fosforo non può essere idrolizzato, ovvero la serina non si può più “liberare” e l’acetilcolinesterasi non può più essere utilizzata per la reazione descritta in Figura 4. Questo significa che non si possono avere più contrazioni muscolari.

Figura 5. Reazione di inibizione dell’acetilcolinesterasi

Un insetto, come la cimice asiatica o il punteruolo rosso, colpito dal chlorpyrifos muore a causa del meccanismo appena descritto.

I limiti del chlorpyrifos

I meccanismi descritti provocano danni anche all’uomo. La concentrazione limite oltre la quale l’insetticida sotto indagine risulta tossico mediante assunzione orale per gli animali è nell’intervallo 32-1000 mg/kg. In altre parole, per risentire degli effetti del chlorpyrifos, un individuo di 70 kg deve assumere una dose orale di insetticida nell’intervallo compreso tra 2 e 70 grammi. Per avere effetto tossico mediante contatto epidermico, un individuo di 70 kg deve venire a contatto con circa 140 g di insetticida (riferimenti). La Comunità Europea sta cercando di proibire l’uso del chlorpyrifos sulla base del principio di precauzione legato al fatto che non è chiara la genotossicità dell’insetticida (qui). Tuttavia, stando a quanto riportato nel rapporto EFSA, gli esperimenti che sembrerebbero indicare genotossicità sono stati condotti con quantità di chlorpyrifos molto al di sopra dei limiti citati. Come al solito è necessario evidenziare che è la dose che fa il veleno. Un uso attento ed oculato di insetticida non provoca alcun danno. Occorre anche evidenziare che l’uso spregiudicato del principio di precauzione “spunta” le armi che gli agricoltori hanno a disposizione per combattere insetti nocivi alla nostra produzione alimentare

 

Fonte dell’immagine di copertina (qui)

Pubblicato il

Arte e scienza del cappuccino

Margherita Aina, giornalista per People for Planet, mi ha chiesto un’intervista durante la quale mi sono divertito moltissimo. Abbiamo parlato di cappuccino e di come si faccia la schiuma di questo delizioso alimento col quale molti di noi fanno la prima colazione (ne avevo già parlato qui).

________________________________

Se siete amanti del cappuccino al bar converrete che un buon cappuccio è fatto da due cose: un buon caffè e una buona schiuma. Soffermiamoci su quest’ultima: a volte è più cremosa, altre così schiumosa che si possono vedere grandi bolle al suo interno, altre volte dopo pochi secondi si scioglie.

Vi siete mai chiesti da cosa dipende? È l’abilità del barista? È la qualità del latte? È la “macchina” che lo produce? Abbiamo provato a chiederlo al professor Pellegrino Conte, docente ordinario di Chimica Agraria presso l’Università degli studi di Palermo e che ha dedicato un articolo molto specifico alla chimica del cappuccino, un tema che usa per aprire le prime lezioni e interessare gli studenti. Abbiamo scoperto che un fattore determinante è una cosa a cui non avevamo pensato: la temperatura [continua…]


Fonte dell’immagine di copertina

Pubblicato il

Pillole di scienza. Lieviti ed agenti lievitanti

Avete mai sentito parlare di cremor tartaro? Anche se sono un chimico, non mi interesso molto di cucina (se non come assaggiatore professionale…nel senso che mi piace mangiare) e solo recentemente ne ho sentito il nome. Mi è venuta la curiosità di sapere cosa fosse ed ho scoperto che è un banale sale potassico dell’acido tartarico. La struttura di quest’ultimo è riportata in Figura 1.

Figura 1. Acido tartarico. I pallini neri sono gli atomi di carbonio; i pallini rossi sono gli atomi di ossigeno; i pallini bianchi sono gli atomi di idrogeno. Le linee doppie sono i doppi legami carbonio-ossigeno. I gruppi -COOH sono detti gruppi carbossilici; i gruppi -OH sono chiamati gruppi ossidrilici o gruppi alcolici. L’acido tartarico è un acido dicarbossilico con due gruppi ossidrilici vicinali, ovvero posizionati su due atomi di carbonio adiacenti. La conformazione è stata ottenuta mediante ottimizzazione con la app WebMO per iPad Pro 9.2.

La Figura 2 riporta la struttura del sale potassico dell’acido tartarico, ovvero del cremor tartaro.

Figura 2. Bitartrato di potassio. Il codice colori è identico a quello di figura 1. La pallina viola è lo ione potassio. Il legame tratteggiato è un legame a idrogeno. La configurazione è stata ottenuta mediante ottimizzazione con la app WebMO per iPad Pro 9.2.

Il cremor tartaro (ovvero il bitartrato di potassio) è indicato anche come lievito chimico. Cosa vuol dire?

I lieviti

I lieviti sono degli esseri viventi. Più specificatamente sono dei microorganismi eucarioti monocellulari (Figura 3), estremamente importanti in molti processi legati alla trasformazione alimentare come la panificazione e la vinificazione.

Figura 3. Microfotografia di cellule di lievito di birra (Fonte)

Il loro ruolo è quello di ridurre il glucosio normalmente presente nelle fibre alimentari (per esempio l’amido) o nei liquidi (come quelli che si ottengono dalla spremitura dell’uva nel processo che inizia la vinificazione) in etanolo ed anidride carbonica  attraverso un processo che viene indicato come fermentazione alcolica (Figura 4).

Figura 4. Schema della fermentazione alcolica attraverso cui i lieviti riducono il glucosio ad alcol etilico ed anidride carbonica (Fonte)

L’anidride carbonica (Figura 5) che si sviluppa dalla fermentazione alcolica è la molecola che consente ai prodotti da forno, come il pane, la pizza ed i biscotti, di assumere quel loro caratteristico aspetto “gonfio” e una consistenza “sofficiosa”.

Figura 5. Molecola di anidride carbonica con la rappresentazione dei potenziali elettrostatici. La molecola ed i potenziali elettrostatici sono stati ottenuti mediante l’uso della app WebMO per iPad Pro 9.2.

In Figura 6 si riporta un esempio di pane lievitato e di pane non lievitato. Si può chiaramente vedere come il primo sia molto più “gonfio” del secondo proprio grazie all’azione dei lieviti che hanno consentito lo sviluppo della anidride carbonica che, imprigionata nel sistema, ha permesso di ottenere quella “mollica” soffice e gustosa.

Figura 6. A sinistra, pane casereccio ottenuto mediante panificazione con lievito. A destra, pane azzimo ottenuto mediante panificazione senza lievito (Fonte dell’immagine di sinistra. Fonte dell’immagine di destra).
Il lievito chimico

È possibile riprodurre gonfiore e sofficezza senza l’uso di lieviti? Certo che sì. La chimica ci aiuta. Il cremor tartaro è una molecola (Figura 2) che ha caratteristiche acide e che, sottoposta a riscaldamento, si decompone, attraverso un processo che si chiama decarbossilazione, in anidride carbonica e un derivato dell’acido propionico (Figura 7).

Figura 7. La decarbossilazione del bitartrato di potassio (ovvero del cremor tartaro) porta alla formazione di 1,2-diidrossi propionato di potassio (a sinistra) e anidride carbonica (a destra). Entrambe le molecole sono state ottenute mediante ottimizzazione energetica con la app WebMO per iPad Pro 9.2. Il codice dei colori è lo stesso che in Figura 1 e 2.

L’anidride carbonica che si ottiene dalla decarbossilazione del cremor tartaro ha la stessa funzione di quella che si sviluppa durante la fermentazione alcolica ad opera dei lieviti, ovvero garantisce gonfiore e sofficezza al prodotto (pane, pizza, dolce etc) a cui esso viene aggiunto. Questo è il motivo per cui questo sale dell’acido tartarico viene indicato come lievito chimico oppure, più correttamente, come agente lievitante. Esistono altri lieviti chimici? Assolutamente sì. Ci sono diverse molecole  che, sottoposte a trattamento termico – come quello che occorre durante la cottura di un alimento,  possono liberare anidride carbonica e conferire gonfiore e sofficezza al prodotto che prepariamo. Oltre al già citato cremor tartaro, agenti lievitanti sono il bicarbonato di ammonio, il bicarbonato di sodio, l’acido tartarico (Figura 1), il carbonato di calcio, il carbonato di magnesio ed i sali dell’acido pirofosforico (Figura 8).

Figura 8. Acido pirofosforico. Rosso e bianco sono i colori con cui vengono indicati rispettivamente ossigeno ed idrogeno. Le palline arancioni sono atomi di fosforo. La struttura è stata ottenuta mediante ottimizzazione energetica con la app WebMO per iPad Pro 9.2.
Note

Per i miei colleghi puntigliosi. Le configurazioni tridimensionali delle varie molecole riportate nelle varie figure sono solo dei minimi energetici relativi ottenuti mediante ottimizzazione con una app per iPad Pro 9.2 che ho appena scoperto e che sto imparando ad usare. Questo vuol dire che so benissimo che ci possono essere configurazioni ad energia minore e che quelle rappresentate possono essere sbagliate. Poiché questo NON è e NON vuole essere un lavoro scientifico da pubblicare su una rivista di alto impatto, ma solo una curiosità di carattere didattico divulgativo, non ho ritenuto necessario approfondire oltre le caratteristiche conformazionali delle diverse molecole. Grazie per la comprensione.

Per saperne di più

Lievitanti, tutti i segreti degli agenti chimici

 

Share